??引言 ? ??膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測(cè)的重要工具。1976年Neher和Sakmann發(fā)明了膜片鉗技術(shù)。1980年以來(lái)此項(xiàng)技術(shù)已可用于很多細(xì)胞系的研究。目前，細(xì)胞膜離子通道的研究已經(jīng)應(yīng)用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對(duì)細(xì)胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡(luò)研究等多個(gè)領(lǐng)域。因此，作為其測(cè)量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來(lái)越多的重視。已有的產(chǎn)品基本上都是由前部的模擬電路完成電流信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和放大，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并在PC機(jī)安裝專用的軟件實(shí)現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號(hào)的顯示。不過(guò)這些產(chǎn)品的膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價(jià)格也比較昂貴，一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和PC機(jī)直接相連，所以PC機(jī)帶來(lái)的干擾非常大。 ??為了解決上述問(wèn)題，我們研究了一種新型的膜片鉗放大器。本系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)是一個(gè)單片機(jī)為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨(dú)工作完成微電流信號(hào)的采集、放大、電容和電阻的補(bǔ)償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。另外下位機(jī)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，通訊是采用紅外傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)的，用串口驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。上位機(jī)主要完成把下位機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理和分析。 ? ??系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? ??為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、顯示以及傳輸，系統(tǒng)具有以下的幾個(gè)基本功能： ??·離子通道電流的采集和放大 ??·鉗位電壓發(fā)生器 ??·電阻電容補(bǔ)償 ??·模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換 ??·人機(jī)界面 ??·系統(tǒng)和PC機(jī)通訊 ??為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、鉗位電壓發(fā)生器、電阻電容補(bǔ)償電路、ADμC841控制核心、液晶顯示模塊LCM3202401及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機(jī)之間通訊六個(gè)主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。 ? ?? ??圖1 膜片鉗放大器系統(tǒng)功能框圖 ? ??由圖1可知，經(jīng)過(guò)電極得到的離子通道電流信號(hào)經(jīng)過(guò)微電流采集和放大，同時(shí)進(jìn)行電阻和電容的補(bǔ)償以后進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換部分把模擬信號(hào)數(shù)字化，采集到的信號(hào)同時(shí)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。另外也可以實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現(xiàn)多種操作功能的控制。 ? ??系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ? ??控制模塊—單片機(jī)系統(tǒng)ADmC841 ??ADmsC841 是ADI公司新近推出一款單片機(jī)，它的內(nèi)部集成了8052的內(nèi)核，并提供了很大的存儲(chǔ)空間。此外，該芯片還集成了許多的外圍部件。其中精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換（其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420Ksps），可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級(jí)傳感器的接口；UART、SPI、I2C通訊接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以及看門(mén)狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或PC機(jī)（此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路）通訊，還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。 ??鉗位電壓發(fā)生器 ??監(jiān)測(cè)細(xì)胞膜離子通道電流有電壓鉗位和電流鉗位兩種方法，我們采用的是電壓鉗位的方法，即在I-V 轉(zhuǎn)換器的同相輸入端接入一個(gè)鉗位電壓，把細(xì)胞膜電位鉗制在一個(gè)固定的電壓值。這個(gè)電壓的幅值在幾十到幾百 mV 范圍內(nèi)，脈沖時(shí)間10~50ms。圖2 給出了鉗位電壓發(fā)生器的電路。電路中采用的是555 構(gòu)成多諧振蕩的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)方波的發(fā)生。555 直接產(chǎn)生的方波信號(hào)幅值接近電源電壓，而所用的鉗位電壓應(yīng)該是一個(gè)電壓幅值在幾百個(gè)毫伏左右的信號(hào)，所以要對(duì)555 產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行幅度的調(diào)節(jié)。555 產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R3 和穩(wěn)壓管D1后在D1 兩端輸出穩(wěn)定的2.4V 電壓，再在這個(gè)電壓兩端并上電位器R4，從它的滑動(dòng)端取出電壓作為鉗位電壓。這樣可以對(duì)鉗位電壓進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，得到需要的幅度。產(chǎn)生的方波的周期可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R2 在14ms~154ms 之間變化。 ? ?? ??圖2 鉗位電壓發(fā)生電路 ? ??微電流采集放大與阻容補(bǔ)償 ??膜片鉗放大器的最主要部分就是電流的采集、I-V變換和放大以及各種補(bǔ)償電路。由于測(cè)量的是電流信號(hào)，所以要首先把電流轉(zhuǎn)換為電壓。由于細(xì)胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個(gè) pA ，所以對(duì)電流電壓轉(zhuǎn)換部分所用放大器的性能要求比較高，要求它具有很高的輸入阻抗和很低的偏置電流。為滿足上面的要求，筆者選用ADI公司的高精度、低功耗、軌－軌放大器AD8627。它具有極低的偏置電流，最大只有1pA；用5~26V的單電源供電或±2.5到±13V均可；最大的失調(diào)電壓為 500mV。圖3中給出了具體電路。 ? ?? ??圖3 電流電壓轉(zhuǎn)換電路 ? ??當(dāng)使用膜片鉗放大器對(duì)細(xì)胞膜離子通道電流進(jìn)行記錄時(shí)，由于電極輸入端存在雜散的電極電容Cp、細(xì)胞膜電容 Cm和電極輸入端至細(xì)胞膜之間的串聯(lián)電阻Rs；若鉗制電壓Vc端施加階躍電壓時(shí)，必將引起Cp、Cm的暫態(tài)充電電流和Rs上的壓降，其充電電流通過(guò)電阻 Rf，導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，同時(shí)可能使放大器飽和，以致不能正常工作，為校正這些誤差必須采用相應(yīng)的補(bǔ)償措施。圖4示出阻容補(bǔ)償電路的電路圖。本電路中的放大器均采用的是ADI公司的OP4177 ，OP4177內(nèi)部集成了四個(gè)運(yùn)放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統(tǒng)一供電，它的失調(diào)電壓為 60mV、偏置電流為2nA，噪聲很低，能夠很好的滿足設(shè)計(jì)的要求。 ? ?? ??圖4 阻容補(bǔ)償電路 ?